铝制旋转抛物面型激光推力器温度效应的实验研究

研究了激光推进中铝制旋转抛物面型推力器的温度变化情况。采用脉冲TEA-CO2激光器作为推进光源,用响应较快的K型热电偶丝作为温度传感器,分别在大气呼吸和烧蚀两种工作模式下,研究了抛物面上不同点的温度分布情况,以及脉冲个数和环境气压对抛物面温度的影响。文中对冲量耦合系数和气压的关系也作了研究,并将其与温度联系起来。结果发现在旋转抛物面的顶点处温度为最高,随离顶点距离的增大而减小。在大气呼吸和烧蚀两种模式下,抛物面温度随着激光脉冲个数增加,但增加的斜率逐渐减小,有饱和的趋势。在激光脉冲个数确定的条件下,大气呼吸模式的温度随气压的减小先增大后减小,出现一个峰值;烧蚀模式则随气压的减小而增大。在大气呼吸模式下,冲量耦合系数随着气压的减小先略为增大而后迅速减小,在约0．5atm处出现了一个弱峰;在烧蚀模式下,冲量耦合系数随气压减小迅速升高,在气压低于0．5atm后,几乎为定值。     

大气呼吸模式激光推进的机理分析及数值模拟

就大气呼吸模式的推进机理作了较为系统的分析和研究,导出了考虑反射面几何约束的冲量及冲量耦合系数的近似解析表达式。在数值模拟方面,采用前期点爆炸自模拟解和后期高分辨率PPM格式相结合的新方法,计算了固定的抛物面反射镜聚焦入射平行激光击穿空气形成的高温等离子体流场及其对反射面产生的推动作用。结果表明,推进效应(飞行器获得的推力、总冲量、冲量耦合系数等)与反射面的几何参数和入射激光强度密切相关。83J的激光单脉冲能量算例得到的冲量耦合系数为246Ns/J,略高于同种工况下W.O.Schall等实验得到的耦合系数。     

气压对脉冲激光冲量耦合系数的影响

用高灵敏冲击摆测量了LY12铝和K9光学玻璃受激光照射时的冲量耦合系数与气体压力的关系。实验结果表明 ,对于LY12铝合金 ,在气体压力为 0 0 3Pa和 97kPa两种情况下冲量耦合系数相差近 8倍 ;而对K9玻璃 ,在气体压力为 0 .0 5Pa和 97kPa两种情况下 ,冲量耦合系数相差 5 0倍以上 ,表明了LSD波的强弱与气体压力相关并对冲量耦合系数产生重要影响。     

激光推进的基本原理和实验进展综述

激光推进是一种新型的推进模式,按作用机理可分为大气模式激光推进和火箭烧蚀模式激光推进两种。分析了两种推进模式的作用原理,论述了激光推进的最新研究进展。     

激光辐照固体推进剂材料的冲量耦合机制分析

利用流体反应动力学编码对火箭推进剂材料的脉冲激光点火过程进行了一维数值分析,并对计算结果进行了分析和讨论。初步分析结果表明,火箭推进剂材料的激光冲量耦合增强机制较为复杂,包含两种主导机制,并受推进剂组分及其物理性质、激光参数等多因素影响。     

烧蚀模式激光推进的数值模拟

采用针对高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法,以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO（weighted essentially non-oscillatory schemes）,给出了高温气体状态方程的简便描述,并考虑激光与等离子体的相互作用,模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程,并给出了不同参数条件下激光烧蚀固体靶的推进效应参数（冲量耦合系数等）。计算结果及与实验结果的对比表明,靶材料和激光参数（功率密度、波长、脉冲宽度等）是影响推进效应的主要因素,并且计算结果具有较高的精确度。     

强激光水下爆炸推进的物理机制

对激光水下聚焦爆炸推进的作用机理开展了实验测量和数值模拟研究. 实验观察到激光水下聚焦爆炸推进分为两个物理过程: (1) 强激光与铝膜相互作用诱导等离子体演化, 产生短脉冲、高幅值的等离子体压力, 并对航行体做功; (2) 激光爆炸产物气泡脉动, 对航行体继续提供推力. 另外, 实验还对不同介质中的激光推进效率以及气泡与约束壁面/自由水面相互作用的物理机制进行了研究. 发现在高阻抗环境介质、气泡受约束脉动以及近自由水面条件下, 激光爆炸推进的效率更高. 在实验的基础上, 建立了激光水下聚焦爆炸推进的物理模型, 发展了相应的耦合数值计算方法. 计算得到的气泡脉动规律及航行体运动规律与实验测量结果一致, 验证了计算的模型和方法, 为强激光水下聚焦爆炸推进机理的研究提供了一种有效的方法.      

PVDF压力传感器标定及在激光推进实验中的应用

详细介绍了PVDF压力传感器的设计方法和2个等效测量电路.利用SHPB系统对PVDF压力传感器的动态灵敏度进行了标定,结果显示,不同并联电阻对于PVDF压力传感器动态灵敏度的影响不大,但对脉冲推力上升时间的测量结果有影响,选择较小的并联电阻可以获得更逼真的测试信号.     

新型发射药爆炸TNT当量系数的实验研究

TNT当量系数是危险品工程抗爆设计和安全距离确定的重要依据。为确定H1和H2两种新型高能发射药的TNT当量系数,分别开展了10 kg TNT和新型发射药的空气自由场静爆实验。基于修正的当量系数计算方法和测量得到的不同爆心距离处冲击波超压时程曲线,确定了不同比例距离处两种高能发射药的超压和比冲量TNT当量系数。研究结果表明,发射药爆炸产生的冲击波传播规律与TNT炸药爆炸产生的冲击波传播规律相同,符合爆炸相似律,相同质量发射药爆炸产生的冲击波超压和比冲量都显著高于TNT的。随着比例距离的增大,H1的超压当量系数先增大后减小,最大值为1.34;H2的超压当量系数逐渐减小,最大值为1.26。两种新型发射药的比冲量TNT当量系数均随比例距离的增大先减小后增大,H2的比冲量TNT当量系数大于H1的,最大值为1.38。本文中修正的计算方法能更准确计算被试样品的TNT当量系数,实验结果可为提高抗爆结构安全性设计提供参考。     

吸气式激光推进推力产生机理的数值模

采用二阶精度的Roe格式，分别采用完全气体模型和高温平衡气体模型，对激光引致的激波在流场中的传播以及轴对称激光推力器的推力产生过程进行了数值模拟，揭示了大气吸气模式激光推进的推力产生机理。结果表明，采用高温平衡气体模型可以更精确地模拟等离子体流场的演化过程，计算所得的冲量耦合系数与已有实验结果吻合较好。     

水下航行体通气超空泡形态实验研究

在水洞中对航行体模型的通气超空泡形态及其影响因素进行了系列实验研究。在低速的情况下通过向空化器下游通入空气生成了超空泡。通过改变水洞速度、压力，通气参数，模型外形和状态产生了多种超空泡外形并研究了超空泡外形与空化器、空化数和通气参数之间的关系以及影响超空泡形状的因素，得出了有益的结论。对于下一步的研究工作具有指导意义，对于航行体超空泡外形控制技术的研究具有重要参考价值。     

通气法控制超空泡流动的实验研究

在高速水洞中运用人工通气方法进行了航行体模型超空泡形态特性的系列实验研究.获得了不同通气流量、不同空化数和不同弗鲁德数下的空泡形态,建立了以弗鲁德数为参数的空泡几何特征参数与空化数的对应关系、空化数与通气流量系数之间的对应关系.验证了空化数是决定空泡尺度的主要无因次参数,通过改变通气流量可以有效地调控空化数,进而达到控制空泡形态的目的.文中同时给出了通气流量系数的实验曲线拟合公式,并与国外的相关实验和公式进行了比较,两者基本一致.所得结论对进一步的水下超高速航行体空泡形态控制技术研究具有参考价值.     

汽车盘式制动器摩擦-振动耦合特性试验研究

本文针对9种具有不同厚薄差和端面跳动量组合的汽车盘式制动器,利用制动器惯性试验台在四种制动压力工况下进行了制动转矩和制动压力的测量,并通过阶次分析与小波分析的方法研究了盘式制动器摩擦特性与制动压力波动之间的耦合关系.研究发现:制动盘的厚薄差和端面跳动会引起法向力的波动,进而引起摩擦系数的波动,并且摩擦系数、制动压力以及制动转矩的波动都与转速存在2阶的阶次关系;摩擦系数静态成分随着相对速度的减小和制动压力的减小而增大;摩擦系数动态部分随制动压力的增大而减小,且主要由制动盘厚薄差引起,端面跳动对其影响不明显.     

脊状表面航行器模型减阻特性的风洞实验研究

针对航行器提高航程和航速的需要,开展脊状表面湍流边界层减阻的实验和数值仿真研究。在航行器模型的外表面加工具有特定形状、尺寸的脊状结构,导致湍流边界层的流动稳定性增强,壁面摩擦阻力降低。在风洞中对具有光滑表面和脊状表面的航行器模型在不同风速和攻角下进行阻力测试,得到其减阻特性曲线。实验结果表明,具有横向脊状表面的航行器模型在一定来流速度范围内具有很好的减阻效果,实验获得的最大减阻量为23.5%。数值仿真结果则发现,在脊状结构内形成了稳定的"二次涡",边界层内湍动能和湍流猝发强度降低,很好地揭示了减阻机理。     

聚能射流水中侵彻行为的实验研究

对三种不同药型罩形成的射流在水中的侵彻行为进行了实验研究,采用电铜箔测速法及高速摄影法分别获取了聚能射流在水中的行进过程及图像。实验结果表明,水体的边界效应及聚能射流在水中的开坑行为对电铜箔的测量结果影响很大,且聚能射流的准定常侵彻行为在平均速度的变化上表现明显,在准定常侵彻阶段,聚能射流的速度可近似为线性递减,且药型罩构型对射流速度的衰减率影响较大,药型罩材料的影响较小。光测结果给出了聚能射流在水中的运动图像,且据此计算出的射流速度与电测结果吻合较好。     

回转体表面条纹沟槽减阻水洞实验研究

本文在条纹沟槽表面减阻理论分析的基础上,对条纹沟槽表面回转体进行了大量的水洞实验研究。实验模型表面条纹沟槽采用直接加工方法,头部线型为双参数平方根圆头曲线,尾部线型为双参数尖尾曲线。实验结果分析表明,与相同形状、尺寸的光滑表面回转体相比,条纹沟槽表面回转体在一定速度范围内存在很好的减阻效果,最大减阻量超过6%,且在小攻角范围内减阻量基本稳定,对回转体升力特性也没有影响。对比不同尺寸条纹沟槽的减阻效果发现,降阻量不但随条纹沟槽宽度S变化,而且随来流速度U∞变化,即与无因次沟槽宽度S (文中近似取S =S.LRe2Ckx,其中k为总阻力Cx的修正因子)存在着一定的关系。对于V型条纹沟槽具有减阻效果的S 的范围在10到60之间。本文研究证明,条纹沟槽表面减阻技术在水下航行器设计领域有着很好的应用前景,同时文中所取得的研究成果对该技术的应用具有一定的促进作用。     

带水墙靶板对高速破片侵彻能力影响规律

针对大当量成型弹药破片毁伤威力试验风险系数大、试验效能低的问题,提出采用带水墙靶板的方式对破片毁伤参数进行测定的新方法。应用动力学模拟软件AUTODYN,对破片侵彻带水墙靶板及无水墙靶板的过程进行了有限元数值模拟,分析了水墙厚度和破片入射角度对破片侵彻能力的影响规律,通过实弹试验的方式对带水墙靶板的实用效果进行了验证。计算结果表明,带水墙靶板相比无水墙靶板,能够大大降低破片的侵彻能力,同时与实弹试验效果也能较好吻合,说明在实际试验中使用带水墙靶板收集破片毁伤参数的方法是可行的。

     

半金属盘式刹车材料的试验研究

通过正交试验设计和蔡氏试验机测试,得到了摩擦系数受温度、载荷和速度影响较小,磨损也较小的半金属盘式刹车材料配方,其平均摩擦系数是0.444.结果表明,在4种被研究的成分中温和的研磨剂氧化铁黑对与温度有关的摩擦系数的标准偏差影响最大,原因在于其只对冷制动起增摩作用而对热制动没有增摩作用;过多使用强的研磨剂氧化铝会导致摩擦系数和比磨损率增大,出现过恢复,并且摩擦系数随载荷增加;而过多使用混合润滑剂(石景和三硫化二锑)会减小摩擦系数和比磨损率.     

弹丸撞击圆板的尺度律实验研究

本文对周边固支软钢圆板，用柱形平头弹丸以２４ｍ／ｓ和２８ｍ／ｓ的速度进行撞击实验，研究板变形的尺度律。板和弹的尺寸严格按１、２和４的比例制作，撞击能量只使板产生塑性大变形而不穿孔。实验结果表明，变形偏离经典尺度律，其规律是较大的撞击能量，出现的偏差也较大。经分析，材料的应变律效应是产生偏差的主要原因。     

行波型超声波电机摩擦特性的实验研究

超声波电机是通过逆压电效应产生高频振动并通过摩擦实现驱动的电机,其定转子摩擦接触面的高频、微幅的行波振动有其特殊性,跟以往的摩擦接触显著不同,并对电机的换能效率、电机寿命和摩擦材料的选择等都有影响.本文建立了超声波电机定转子接触面摩擦系数测量装置,通过试验比较了摩擦接触面在常规、定子驻波振动以及行波振动下的动态摩擦系数,分析了定子相对转速(速度)、预紧力以及温度对定转子接触面摩擦系数的影响.根据摩擦二项式和电机定转子表面弹塑性接触状态对摩擦系数与预紧力等的对应关系进行了说明,分析了驻波振动和行波振动的超声减摩效果以及温度对摩擦系数的影响,确定了适合行波型超声波电机的摩擦系数计算模型.超声波电机的驱动摩擦特性是1项基础性工作,有助于行波形超声波电机设计、建模和驱动控制等.